автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка техники и технологии вакуумной обработки стали

003468765

На правах рукописи

Себякин Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк 2009

003468765

Работа выполнена на кафедре «Металлургия» ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дубровский С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Меркер Э.Э.

кандидат технических наук, доцент Манюган А.П.

Ведущая организация: ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина.

Защита состоится « 02 » июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.108.02 при ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, зал Ученого совета.

E-mail: dsa@stu.lipetsk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « 23 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.108.02

Ведищев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Для современного этапа развития сталеплавильного производства при постоянно повышающихся требованиях потребителей к качеству стали неотъемлемым условием является применение в технологической цепочке установок внепечной обработки стали. Из их многообразия в особую группу выделилась вакуумная обработка металла, ставшая обязательной частью современных сталеплавильных комплексов, производящих сталь с высоким уровнем потребительских свойств, нашедших своё применение в автомобилестроении, в магистральных нефте- и газопроводах, в несущих конструкциях зданий, а также в судостроении. Производство особонизкоуглеродистых марок стали типа № и низколегированных сталей с регламентированным содержанием газов невозможно без обработки расплава вакуумом. Одним из перспективных направлений производства электротехнических изотропных марок стали с пониженными электромагнитными потерями является технология получения остаточной концентрации углерода менее 0,005% непосредственно в сталеплавильном производстве, что не требует проведения обезуглероживающего отжига проката. Благодаря своим преимуществам, реализуемым в процессе вакуумной обработки, наибольшее распространение получил циркуляционный способ.

Все сказанное выше предопределяет актуальность работы, которая выполнена в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 07-08-9643 8Р_центр_а.

Целью настоящей работы является определение возможности исследования высокотемпературных металлургических реакций с применением методов вероятностной кинетики; разработка научно обоснованных технологических решений производства особонизкоуглеродистых марок стали с применением циркуляционного вакуумирования, а также методов контроля технологического процесса внепечной обработки и состояния оборудования вакууматора.

Научная новизна:

1. Впервые в металлургии на основе анализа данных дегазации жидкого железа проведено исследование взаимодействия разреженных газов с высокотемпературными расплавами в условиях резко меняющихся внешних давлений с применением вероятностных методов химической кинетики.

2. Установлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава от времени циркуляции в процессе обработки на ЯН-вакууматоре.

3. Получено соотношение доли реакций обезуглероживания, протекающих в объеме расплава на поверхности всплывающих пузырьков и межфазной по-

верхности «расплав - газовая фаза вакуум-камеры».

4. Предложен критерий обнаружения прогаров вакуум-камеры.

5. Установлены кинетические особенности протекания реакций обезуглероживания в процессе RH-обработки на 160-тонном вакууматоре.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Предложены методика и технологические алгоритмы контроля процесса вакуумной обработки стали и состояния оборудования агрегата, которые реализованы в системе верхнего уровня АСУ ТП RH-вакууматора КЦ-1 ОАО «НЛМК».

2. Разработана технология интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий внепечной обработки с применением твердого окислителя. Она успешно опробована при производстве особонизкоуглеро-дистых марок сталей в Конвертерном цехе №1 ОАО «НЛМК».

3. Предложен способ снижения интенсивности образования металлических настылей в газоходе RH-вакууматора, позволяющий уменьшить его габаритные размеры по высоте. На это решение получен патент.

4. Разработаны технические решения повышения стойкости погружных патрубков циркуляционного вакууматора.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается опытно-промышленными плавками и теоретическим анализом основных параметров исследуемого процесса с последующей технологической интерпретацией на основе современной теории металлургических процессов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях: второй (г. Липецк, 2005), третьей (г. Липецк, 2006), четвертой (г. Липецк, 2007) и пятой (г. Липецк, 2008) международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»; международной научно-технической конференции молодых специалистов в преддверии 110-летия ОАО "Ашинский металлургический завод" (г. Аша, 2007); девятом (г. Старый Оскол, 2006) и десятом (г. Магнитогорск, 2008) конгрессе сталеплавильщиков.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 работ в отечественных изданиях, в том числе 3 статьи в периодических журналах, входящих в список ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 126 наименований, заключения, 3 приложений. Включает 79 страниц текста, содержит 60 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены теоретические основы взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа, существенный вклад в развитие которых внесли работы В.В. Аверина, А.Н. Морозова, А.М. Самарина, В.И. Явойского, А.Г. Свяжина. Представленные литературные данные показывают, что при описании химического акта трансформации газа при переходе из атомарного (расплав) в молекулярное состояние (газовая фаза) общепринятым является вероятностный подход протекания реакций, однако решение задачи теоретического описания взаимодействия частиц в его рамках затруднено при увеличении их количества. В связи с этим возникает необходимость применения других подходов, позволяющих упростить теоретические расчеты вероятностного взаимодействия реагирующих частиц.

В данной главе выполнен многосторонний сравнительный анализ технико-экономических показателей основных промышленных способов вакуумной обработки стали. Наиболее эффективными по техническим возможностям являются порционные способы вакуумирования, среди которых основное распространение получили 1Ш-вакууматоры. Процесс характеризуется высокой производительностью при выполнении обезуглероживания и дегазации стали, сводит к минимуму химическое влияние ковшевого шлака, позволяет выполнять точное легирование и/или корректировку химического состава стали в узких пределах, чему способствует высокая степень контроля технологического процесса. К недостаткам данного способа отнесены следующие: повышенные требования к габаритным размерам установки, особенно по высоте; увеличенные затраты на обслуживание вакуум-камеры и энергоносители в процессе внепечной обработки; повышенные требования к качеству огнеупоров и уходу за футеровкой. Менее эффективной является вакуумная обработка объема расплава (ковшовое ва-куумирование). Ее преимуществами являются низкие затраты на закупку оборудования, менее сложный состав оборудования, не требующий высоких пролетов сталеплавильных цехов и сложного технического обслуживания при эксплуатации. Среди основных недостатков способа выделяются: необходимость увеличения свободного борта сталеразливочных ковшей; большая длительность обработки по сравнению с порционными способами; более сложный контроль технологического процесса. Наименьшими технологическими возможностями обладает струйное вакуумирование стали. К основным недостаткам данного способа относятся: большие потери температуры при переливе из ковша в ковш, низкая степень контроля процесса обработки. Основным преимуществом данного способа по сравнению с другими является максимальная степень дегазации

стали и минимальные затраты на внепечную обработку.

В данной главе также выполнен анализ существующей технологии вне-печной обработки расплава на агрегате циркуляционного вакуумирования стали (АЦВ) Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК», по результатам которого выявлены ее основные недостатки.

Во второй главе проведено исследование кинетики удаления азота из жидкого железа с применением основных положений вероятностной кинетики химических реакций. При вероятностном подходе предполагается, что концентрации прореагировавших и образовавшихся веществ зависят только от их значений в предыдущий момент времени и подчиняются определённым законам распределения вероятностей, вид и форма которых изменяются по ходу реакции. Поведение случайной величины х(т) - в рассматриваемом случае количество атомов растворенного азота - определяется уравнением производящей функции моментов Бейли: 8М(в,т)

Вт

■ = ЕГ

-/;■/, (х)-е^

(1)

где в - некоторый положительный параметр; т - время; Ет - оператор математического ожидания;^ - функции, порождённые спецификой химической реак-ции;у - ненулевое целое число.

Дифференциальное уравнение (1) для реакции дегазации

{Н2},

Р

(2)

легко преобразуется в выражение с производящей функцией семиинвариантов за счёт их логарифмической связи с моментами, которое в свою очередь после разложения в ряд Тейлора по степеням в распадается на систему нелинейных дифференциальных уравнений (СДУ) первого порядка, характеризующую динамику изменения каждого из выбранных семиинвариантов:

1- = -аА + рЪ0;

= а{А-2В)+ЦЬо:

от

- = а(-А + ЗВ-6С)+/)Ьо;

дк

(3)

8т

дт

= а(А -4В +12С - 24 О)+рЬ0,

где а и /? - вероятности прямой и обратной реакции соответственно; а0 = к1 при т=0 - исходное число атомов газа в металлическом расплаве; Ьо - исходное

количество молекул азота, находящихся в газовой фазе; A = (k2¡ + к2)\

кА. íkik4

В = {2k¡k2 + к3); С = [ к,к3 +k¡ +-у

D=^ + k2k3

При выполнении исследования ограничились рассмотрением первых четырёх моментов, так как именно они широко используются в статистических исследованиях и имеют понятную интерпретацию, характеризуя положение случайной величины k¡, разброс к2, асимметрию к3 и эксцесс к4. При дальнейшем решении СДУ множителем с k¡>4 пренебрегали.

Очевидно, что первое уравнение системы дифференциальных уравнений, характеризующее изменение числа атомов растворённого газа во времени, отличается от дифференциального уравнения классической кинетики лишь на величину, пропорциональную дисперсии числа растворённых атомов (-a-fe)-

Рис. 1. Массообменные процессы в исследуемой системе (а) и геометрическое приближение системы "жидкое железо-газ" (б)

Переход от концентраций реагирующих веществ к числу атомов и молекул потребовал введения дополнительных граничных условий:

- для упрощения расчетов предположили, что все массообменные процессы в системе «жидкий металл - газ» идут через газовую фазу (рис. 1, а), а изменение концентрации растворенного газа в поверхностном слое соответствует изменению его концентрации по всему объему - условие протекания реакций в кинетическом режиме;

- в поверхностном слое расплава толщиной <5 и слое газа над его поверхностью выделили элементарные объемы (рис. 1, б), при этом все процессы, протекающие в каждом объеме, не зависят от его положения в плоскости раздела фаз и полностью описывают изменение параметров всей системы;

- все молекулы азота в газовой фазе, непосредственно контактирующие с

поверхностью металлического расплава, находятся в элементарном объёме, представляющем собой куб, длина граней которого равна длине свободного пробега одной молекулы газа (I).

0,008 0,007

a о 0,005 8 «

V4

a fr * ' V

О ' ST X ' S * , ъ

0,001 0,000 » *ТГ*—'у

О 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200

Время дегазации, с

Рис. 2. Опытное и расчетное изменение концентрации азота в период дегазации расплава после его предварительного азотирования: ■ - опытные данные;

X - кривая, полученная вероятностными методами; " " - кривая, полученная для условий внутридиффузионного режима;

-- кривая, полученная для кинетического режима;

— - критическая концентрация азота

Исследование проводили по лабораторным данным1, результаты которых представлены на рис. 2. При проведении дегазации в лабораторных опытах область концентраций растворенного азота соответствовала кинетическим условиям, т.е. была меньше критической концентрации, а изменение концентрации растворенного азота определялось скоростью протекания химических реакций. На рис. 2 также представлены расчетные кривые дегазации расплава, полученные при решении линейного дифференциального уравнения (внутридиффузи-онный режим), нелинейного (кинетический режим), а также СДУ (3).

Следует отметить тот факт, что изменение математического ожидания (концентрации растворенного азота) с точностью до погрешности расчета совпадает со значениями, полученными по классическому уравнению, описываю-

1 Najafabadi, М.А. Simultaneous decarburization and denitrogenization of molten iron with vacuum suction degassing method / M.A. Najafabadi, S. Kanegawa, M. Maeda, M. Sano // ISIJ International. - 1996. - Vol. 36. 10. - PP. 1229-1236.

щему дегазацию в кинетическом режиме, что свидетельствует о незначительном влиянии величины дисперсии на ход протекающих реакций в рассматриваемой области концентраций растворенного газа и при принятых допущениях.

О 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600

Время, с

Рис. 3. Численное решение СДУ методом Рунге-Кутты 4-го порядка

Расчетное изменение первых четырех семиинвариантов представлено на рис. 3. Для предложенных граничных условий с учетом лабораторных опытов, заключающихся в расплавлении, азотировании и последующей дегазации электролитического железа, при начальных условиях а0=8,47-1010; Ь0= 1,79-106, соответствующих равновесной области концентраций растворенного газа перед проведением дегазации, значения вероятностей прямой и обратной реакций составили а=1,84-10"14, /И),63. Полученные расчетные кривые показывают отсутствие "нормального" закона распределения вероятностей во всем исследуемом интервале концентраций азота. При этом с увеличением концентрации растворенного газа распределение атомов становится более асимметричным, что свидетельствует о наличии в выделенном объеме расплава областей или слоев с повышенной концентрацией азота.

Третья глава посвящена разработке систем контроля вакуумной обработки стали и мониторинга оборудования циркуляционного вакууматора, при построении которых исходили из условия их полной автоматической работы, не требующей участия сталевара, за счет непрерывного отслеживания характерных (значимых) сигналов - масса стальковша, расход пара на эжекторы вакуумного насоса, разрежение перед главным вакуумным клапаном, окислен-ность расплава перед обработкой.

Необходимость разработки системы мониторинга оборудования была вызвана следующими причинами:

— недостижением гарантийных показателей по остаточному давлению;

- неконтролируемой работой пароэжекторного насоса: многократное включение и отключение эжекторов при переходе с пусковых ступеней на ступени низкого вакуума.

Для количественной оценки подсосов воздуха был предложен расчет, основанный на следующих допущениях: 1) атмосферный воздух имеет двухком-понентный состав и представляет собой смесь из 21% 02 и 79% N2; 2) единственным источником газообразного кислорода в отходящих газах является воздух, поступающий в вакуум-камеру и газоход в результате подсосов. При вдувании газообразного кислорода через фурму данное допущение не выполняется и соответственно расчет подсосов не производится. При этом для получения достоверных данных расчет выполняется спустя 2 минуты после окончания продувки. Кроме того, расчет выполняется при остаточном давлении в вакуум-камере менее 50 шЬаг (включение последней ступени вакуумного насоса), а также объемной доле СО в отходящих газах менее 5%. Подсосы воздуха определяли по следующей зависимости:

ШаПЬ***».

21

(4)

где Qвo3д - расчетная величина подсосов воздуха, м3/ч; {%С>2} — объемная доля кислорода в отходящих газах, %; 0.Отх.гт. - расход отходящих газов, м3/ч; 21 -массовая доля кислорода в атмосферном воздухе, %. 700

Рис. 4. Пример расчета подсосов воздуха при обработке плавок на АЦВ КЦ-1 ОАО «НЛМК»:

-- усредненная величина подсосов воздуха;

-- текущая величина подсосов воздуха;

....... - остаточное давление в вакуум-камере

Выбор методики расчета по кислороду вызван отсутствием данных о

концентрации азота в отходящих газах. Кроме текущей расчетной величины подсосов воздуха предложен расчет величины среднего накопительного значения данного параметра, который выполняется при допустимом отклонении текущей величины подсосов воздуха от средней величины данного показателя на предыдущем шаге, что обеспечивает отсортировку скачкообразных изменений данного показателя при открытии вакуумного бункера (рис. 4).

Предложенный метод расчета величины подсосов воздуха был реализован в системе управления АЦВ с возможностью визуализации расчетной величины подсосов воздуха в графическом и цифровом виде.

Для получения дополнительных данных о ходе внепечной обработки были разработаны технологические алгоритмы расчета температуры стали и концентрации растворенного кислорода и углерода. При изучении изменения температуры расплава в результате теплообменных процессов с футеровкой вакуум-камеры и сталеразливочного ковша по данным фактических замеров температуры стали в период вакуумного обезуглероживания была выявлена логарифмическая зависимость изменения данного параметра (рис. 5). Предложенная зависимость позволяет существенно упростить расчеты и вносить необхо-

Дгаггельносхъ циркуляции, с

Рис. 5. Изменение температуры расплава при обработке плавок (^ - температура стали перед обработкой, °С):

Д -пл. №811114 ■ - пл. №809072 • - пл. №716655 О - пл. №716652 А - пл. №809075 о - пл. №809080

В основу расчета изменения концентрации углерода (кислорода) был положен материальный баланс по углероду, поступающему растворенным в металлическом расплаве и расходуемому с отходящими газами в составе СО и СО2. При этом исходили из допущения, что в исследуемой системе «пузырек

газа - металлический расплав - газовая фаза вакуум-камеры - газоход» имеют место следующие реакции:

[С]ь + [0]ь={СО}ь, (5)

[С]8 + [О], = {СО}8, (6)

[С]5 + 0,5-{О2}, = {СОЬ, (7)

{С0}8 + 0,5-{02}8={С02}8, (8)

где индекс Ь соответствует реакциям, протекающим на поверхности раздела «пузырек газа - расплав»; индекс в соответствует реакциям, протекающим на поверхности раздела «расплав - газовая фаза вакуум-камеры»; индекс § соответствует реакциям, протекающим в газовой фазе вакуум-камеры или системе газоотводящего тракта.

Продуктом реакций (5), (6), отражающих взаимодействие углерода и кислорода, растворенных в расплаве, является монооксид углерода. Реакция (7) имеет место при вдувании газообразного кислорода на поверхность циркулирующего расплава. В данном случае протекают промежуточные реакции окисления железа кислородом, диссоциация оксида железа с последующим переходом кислорода в расплав и его взаимодействие с растворенным углеродом. Образование диоксида углерода по реакции (8) происходит только в результате окисления СО до С02 газообразным кислородом в вакуум-камере и газоходе.

Для оценки влияния других факторов на результаты расчетов дополнительно определили количество кислорода, переходящего в расплав в результате взаимодействия металла с ковшевым шлаком и футеровкой вакуум-камеры. Переход кислорода из шлака в процессе обезуглероживания определяли по изменению концентрации оксидов железа в-шлаке (РеО и БегОз), табл. 1. Поступление кислорода из футеровки рассчитывали по изменению концентрации хрома в стали в период обезуглероживания. На опытных плавках концентрация хрома в среднем изменялась с 0,0097% до 0,0115%, а расчетное изменение концентрации растворенного кислорода составляло 0,0005%.

Таблица 1

Изменение содержания оксидов железа в ковшевом шлаке

Вид пробы Массовая доля элемента Переход кислорода из шлака в металл

БеО Ре203 Р^общ Ообщ

% % % % кг %

До обработки 17,50 10,47 20,94 10,19 6,91 0,004

В конце периода обезуглероживания 18,45 9,37 20,90 9,74

Примечание. Вес шлака определяли расчетным путем с учетом замера его толщины стальной трубкой после установки ковша в позицию обработки.

В результате незначительного прироста кислорода в период обезуглероживания (0,0045% при начальном его содержании 0,04-ЮД0%) влиянием данного фактора при выполнении расчетов пренебрегали.

При построении балансовых уравнений дополнительно учитывали влияние 40-секундного запаздывания получения данных газового анализа. Согласно данным газового анализа (рис. 6) началу протекания реакций соответствует момент времени тсопровождаемый появлением оксидов углерода. На данном рисунке также отмечена заштрихованная область, ограничивающая остаточное давление в вакуум-камере величиной 20-^25 кПа и соответствующая барометрической высоте подъема расплава выше уровня огнеупоров днища камеры, при которой возникает циркуляция стали. Данному моменту времени ти исходя из теоретических предположений, и должно соответствовать начало интенсивного обезуглероживания расплава. Кроме того, в балансовое уравнение вносили корректировки на погрешность определения газового анализа (СО и С02) и расхода отходящих газов.

Время обработки, с

Рис. 6. Характерное изменение состава отходящих газов (СО, С02) в процессе вакуумной обработки стали на АЦВ Конвертерного цеха№1 ОАО «НЛМК»:

-- СО;......- СО 2; - остаточное давление

В четвертой главе представлены результаты исследований, выполненных с применением разработанных технологических алгоритмов.

Анализ результатов промышленной эксплуатации предложенной методики определения подсосов воздуха показал 3-кратное (рис. 4), а в некоторых случаях и 20-кратное превышение данного показателя относительно гарантированных значений, что и является основной причиной повышенного остаточного

давления в вакуум-камере в процессе обработки. Несмотря на положительные результаты применение данной методики расчета возможно только после окончания периода обезуглероживания в условиях отсутствия вдувания кислорода. Для оперативного определения прогаров корпуса вакуум-камеры было предложено использовать следующий комбинированный критерий, позволяющий полностью исключить влияние других факторов (рис. 7):

2 =

(Р1 -Р')-(0 -О )

\ •* ост / ' х^отх.газ. Ыотх.газ /

о'-'-о' +1

з£пар Ыпар 1 х

>1000,

(10)

где Р^ - остаточное давление в текущий момент времени, тЬаг; Р - параметр, используемый для определения повышения давления в вакуум-камере, тЬаг; О'отх.га! и Фотх.гса ~ соответственно расход отходящих газов в предыдущий и текущий моменты времени, м3/ч; и Опар ~ соответственно расход пара в предыдущий и текущий моменты времени, т/ч.

5000 -

360 540 • 720

Время обработки, с

1080

Рис. 7. Визуализация работы алгоритма определения прогара вакуум-камеры:

- сигнал наличия прогара;

- остаточное давление в вакуум-камере

Величина Pt в процессе обработки определяется следующим образом:

Р'=Р'ост при PÍ¿m >Р'жт;

при P^PÍan-

OD

Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания расплава проводили с учетом данных обработки промышленных плавок, в процессе которых в период обезуглероживания выполняли серию замеров окисленно-сти расплава с помощью системы «Multi Lab Celox III» (рис. 8). По данным газового анализа в момент начала реакций обезуглероживания фактическое изменение концентрации растворенного кислорода уже составило около 42% от

общего изменения. Близость расчетных и фактических значений концентрации растворенного кислорода, полученных по балансовому уравнению, подтверждает справедливость предложенных допущений. 0,10

еж

tu И X

22:17:30 22:21:49 22:26:09 22:30:28 Фактическое время обработки Рис. 8. Изменение концентрации растворенного кислорода х - [0]факг;--[0]расч;--СО; .....СО з

i Cu 4>

I

S

я

Я |

Б 3 о X

0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

i v

\ ¡ i

Y i

\

\ \

\ \

1 4. _—. V

!

i

j» • ——J ■ г^т - ^Tv^x^d

50 g

10О U

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Время обработки, с

Рис. 9. Расчетное изменение концентрации растворенного углерода:

-- теоретический расчет;

-- расчет по данным газового анализа;

° - расчетные значения, полученные по результатам замеров окисленности расплава;

-- СО в отходящих газах;

" " " - СОг в отходящих газах

При изучении кинетики протекания реакций дополнительно выполнили теоретический расчет изменения концентрации растворенного углерода (рис. 9) с учетом результатов расчетов, полученных по балансовому уравнению. Анализ изменения скорости обезуглероживания расплава в процессе вакуумной обработки на 160-тонном RH-вакууматоре различных плавок с учетом теоретиче-

ских расчетов выявил наличие 3-х устойчивых характерных периодов обработки (рис. 10).

Ss 1,0

.0,6

' 0.4

0,2 --

8.0,0

5.0Е-04

W

я

1 4.0Е-04 i

g. 3.0Е-04

<и

Е

2.0Е-04

и

1.0Е-04

о

| 0.0Е-Ю0 U

U ишчии „ О о О „ j

\ I п ° О о Ш О

щ о о о

\ к

Ш . * |[С]=0,003%| . •

0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

-- 50 40 30

е- i го 10 х о

о

120

720

840

240 360 480 600 ^ Время обезуглероживания, с

Рис. 10. Расчетное изменение скорости обезуглероживания расплава:

— - скорость обезуглероживания;

- остаточное давление в вакуум-камере; о - доля реакций в объеме расплава;

• - доля рсакшш на поверхности циркулирующего расплава; -- расчетная концентрация растворенного углерода

Несмотря на достижение минимального давления в вакуум-камере в III периоде обработки, наблюдается постепенное замедление суммарной скорости протекания реакций. Результаты теоретического моделирования показывают, что в области концентраций углерода более 0,005-Ю,008% (период I и II) основная доля реакций протекает в объеме расплава на межфазной поверхности «пузырек газа - расплав», тогда как в области особо низких концентраций углерода (менее 0,003%) преобладают реакции, протекающие на поверхности раздела «расплав - газовая фаза вакуум-камеры».

Если в I и II периоды обезуглероживания существуют эффективные способы воздействия на скорость протекающих реакций за счет изменения расхода транспортирующего газа или изменения скорости набора вакуума, то в III периоде единственным способом воздействия на скорость обезуглероживания является изменение равновесной концентрации растворенного углерода за счет изменения концентрации растворенного кислорода. При выполнении теоретического моделирования были определены необходимые концентрации кислорода в конце периода обезуглероживания, обеспечивающие получение остаточных концентраций углерода на уровне 0,0010-Ю,0012% и 0,0013+0,0015%, которые соответственно составили 0,085±0,005% и 0,075±0,005% при остаточном давлении 200 Па. Для получения данной концентрации кислорода было предложено вводить в расплав требуемое количество твердого окислителя (железорудные окатыши) и при необходимости выполнять продувку газообразным

кислородом. Расход окатышей был ограничен 500 кг на плавку (вес плавки 150 т) из-за достаточно низкого усвоения кислорода расплавом (~46%) для предотвращения значительного прироста оксидов железа в ковшевом шлаке и соответственно снижения угара легирующих элементов (алюминий, титан, кремний) при проведении усреднительного перемешивания расплава на установке доводки металла. Усвоение газообразного кислорода для условий АЦВ ОАО «НЛМК» составляет 40%. По предложенной технологии было обработано 10 плавок автолистовых особонизкоуглеродистых марок стали типа IF. Основные параметры двух сравнительных плавок приведены в табл. 2. Расчетное изменение концентрации растворенного кислорода и скорости обезуглероживания с учетом данных газового анализа представлено на рис. 11.

Таблица 2

Основные параметры вакуумной обработки опытных плавок

№ плавки Длительность обработки,с т„, °С Концентрация кислорода, % Концентрация углерода, % Примечание

0 1669 0,07415 0,0239 Проба перед обработкой

s ьй §■ 195 - - - Присадка 347 кг окатышей

47 (сталь м 01ЮТ) 627 1623 0,06954 - Дополнительный промежуточный замер

900 - - 0,0015 Проба после обезуглероживания

00 СП о 0\ 1047 1616 0,06618 - Замер перед раскислением

1652 - - 0,0027» Проба после обработки

0 1665 0,1005 0,0245 Проба перед обработкой

р 2 175 1648 0,0738 - Дополнительный промежуточный замер

о а о. 199 - - - Присадка 333 кг окатышей

S 780 1619 0,0960 - Дополнительный промежуточный замер

1 о 1290 1607 0,0897 - Замер перед раскислением

о <ч 1325 - - 0,0012 Проба после обезуглероживания

1995 1628 0,0007 0,0035* Проба после обработки

* - Неконтролируемый прирост углерода после обезуглероживания связан с применением перик-лазоуглеродистых огнеупоров различных поставщиков в рабочем слое футеровки еталеразливоч-ных ковшей.

Время присадки окатышей (с 3 по 4 минуту обезуглероживания) соответствует окончанию интенсивного обезуглероживания (период I, рис. 10). Расчеты показывают кратковременное увеличение скорости обезуглероживания расплава после ввода окатышей (с учетом времени запаздывания данных газового анализа), что, по нашему мнению, объясняется наличием углерода в железо-

рудных окатышах, который, взаимодействуя с кислородом твердого окислителя, приводит к увеличению межфазной поверхности пузырьков и положительно сказывается на скорости удаления растворенного углерода. Кроме того, в результате разложения окатышей образуется дополнительная межфазная поверхность (твердые частицы), наблюдается увеличение концентрации водорода в отходящих газах из-за наличия в них влаги, что также способствует протеканию реакций обезуглероживания за счет снижения парциального давления СО в газовой фазе.

0,025 jjj 5

0,020 S?

Увеличение скорости обезуглероживания

■ 0,015

0,010

120 240 360 480 600 720 840 960 Время обработки (пл. №8903847), с

0,000

Е Р

и ю о л h

и U

0,120

ctf

g 0,110 &

§ 0,090

U

& 0,080

я в о

0,070

0,060

А | Ввод окать птей|

» --

Г \

-В

Увеличение скорости

обезуглероживания

—--г-'-1--

0,018 g 0,016 ^ 0,014 ^

0,012 0,010 0,008 0,006 0,ОМ 0,002 0,000

Е

V

ю о л

0

960

U

120 240 360 480 600 720 840 Время обработки (пл. №822050), с Рис. 11. Изменение концентрации кислорода и скорости обезуглероживания: —— -расчетная концентрация кислорода;

О - фактическая концентрация кислорода; --расчетная скорость обезуглероживания

Анализ результатов опытно-промышленных плавок показал, что кроме положительного влияния на скорость обезуглероживания, технология стабилизации окисленности расплава с применением твердого окислителя обладает до-

полнительным преимуществом: практически мгновенное увеличение концентрации растворенного кислорода. Это позволяет своевременно выполнять корректирующие действия при обезуглероживании расплава с повышенной начальной концентрацией углерода и недостатком растворенного кислорода без увеличения времени обработки и снижения степени удаления углерода.

В пятой главе на основе данных видеосъемки поверхности циркулирующего расплава, а также анализа топографии металлических настылей в вакуум-камере и газоходе ЯН-вакууматора были определены основные источники их образования. В нижней и средней частях вакуум-камеры (определяется высотой подъема металл-газовой смеси) образование настылей связано с интенсивными выплесками расплава, возникающими в результате соударения порций циркулирующего расплава со стеками камеры. При этом попавший на футеровку расплав кристаллизуется на ней, приводя к образованию настылей. Высота образования таких настылей над поверхностью расплава составляет 0,5+0,7 м.

Рис. 12. Капли металла, образующиеся в процессе циркуляционного (а) и струйного (б) вакуумирования стали; частицы металлической пыли (в) и образец настыли (г) с футеровки вакуум-камеры

Образование большого количества мелких частиц металла (рис. 12, а, в) является результатом взрывообразного расширения пузырьков газа в поверхностном слое. Эти частицы подхватываются потоком газа и увлекаются в газоход, приводя к его постепенному зарастанию. Для изучения этих частиц металла произвели отбор образцов настылей. Первая группа образцов отбиралась из патрубка, предназначенного для установки дополнительной верхней продувоч-

ной фурмы (расстояние до раскисленного металла 7,8 м), в который устанавливалась специальная ловушка, выполненная из огнеупорного материала в виде выступа. Значительное удаление данной точки от расплава предотвратило спекание частиц металла. Вторая группа образцов отбиралась с поверхности футеровки на расстоянии 4 м от поверхности циркулирующей стали. Из-за меньшего расстояния от точки отбора до расплава во время обработки, а также до газокислородного пламени во время операции оплавления настылей в данной области происходит практически полное спекание частиц металла с образованием сплошного металлического конгломерата толщиной 3+5 см.

Классификация полученной выборки частиц (рис. 12) осуществлялась по следующему принципу:

> к каплям относились частицы закристаллизовавшегося металла, имеющие определённую геометрическую форму (шар, эллипсоид);

> к пыли относились частицы металла, не имеющие строго определённой геометрический формы.

Полученные данные показывают, что в процессе ЯН-обработки образуются капли различного диаметра: от 0,75 до 4,0 мм, что больше диаметра капель, полученных Г.А. Соколовым при струйном вакуумировании стали (0,5-1,5 мм). Увеличенный размер капель при ЯН-обработке, по нашему мнению, объясняется большей разницей между давлением в полости взрывающихся пузырьков и давлением в вакуум-камере, чем при струйном вакуумировании.

Количественное соотношение между металлической пылью и каплями, образующимися при ЯН-обработке, ориентировочно составляет (9,0+9,7): 1. Неправильная форма пылинок металла свидетельствует о высокой скорости их кристаллизации. Обращает на себя внимание тот факт, что диапазон размеров металлических пылинок, образующихся в ИН-процессе, совпадает с размерами капель, образующихся при струйном вакуумировании.

Для снижения интенсивности зарастания газохода 1Ш-вакууматора и снижения высоты вакуум-камеры предложено устанавливать внутри вакуум-камеры экран на расстоянии й от поверхности металл-газовой смеси (рис. 13). Экран предназначен для ассимиляции основного объема металлической пыли и капель. Расстояние А от поверхности металл-газовой смеси (максимальной высоты подъема, которая для 160-тонного 1Ш-вакууматора ОАО «НЛМК» составляет 2,290 м от дна камеры) предложено выбирать в диапазоне 300+1500 мм. При этом увеличение расстояния от экрана до расплава выполняется в зависимости от вида внепечной обработки: дегазация расплава (минимальное расстояние), вакуум-углеродное раскисление частично раскисленного

металла (среднее расстояние) и глубокое обезуглероживание (максимальное

расстояние). Настыли в газоходе

Рис. 13. Существующая конструкция вакуум-камеры ЯН-вакууматора ОАО «НЛМК» с нанесенной топографией износа футеровки и настылей (а) и предлагаемая конструкция камеры с экраном (б)

Экран состоит из металлического каркаса, футерованного сверху и снизу огнеупорным материалом на основе высокоглиноземистых бетонов, грузозахватных механизмов для выполнения его установки и демонтажа. Экран устанавливается на огнеупорном выступе без жесткой фиксации, что позволяет предотвратить его повреждение и повреждение футеровки вакуум-камеры в результате его температурного расширения, а также позволяет ему свободно перемещаться при подъеме расплава выше уровня его установки (например, в аварийных случаях при засасывании воздуха через погружные патрубки). Дополнительно для снижения общей высоты камеры предложено выполнять боковое соединение газоотводящего тракта с вакуум-камерой.

Также были разработаны конструктивные решения, направленные на повышение стойкости погружных патрубков. Анализ затрат на вакуумную обработку расплава в условиях Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» показывает, что на долю огнеупорных материалов приходится около 50 % затрат на внепеч-ную обработку вакуумом, при этом на ремонт зоны металла приходится до 37,6% всех затрат. Стойкость патрубков определяется безаварийными условия-

ми их эксплуатации, что обеспечивается выполнением условия вывода камеры на перефутеровку при достижении остаточной толщины огнеупоров, которая в среднем составляет 100 мм с локальным износом до 80 мм и менее - около 52^56% исходной толщины кирпичной футеровки (180^190 мм в зависимости от схемы футеровки). С целью повышения стойкости патрубков предложено увеличить толщину расходуемого слоя кирпичной футеровки патрубков за счет уменьшения их начального внутреннего диаметра с 600 мм до 540 мм, что позволит увеличить расчетную стойкость камеры на 35^37%. Дальнейшее уменьшение внутреннего диаметра патрубков невозможно из-за нежелательного снижения скорости циркуляции расплава через вакуум-камеру. Снижение скорости циркуляции при увеличении толщины футеровки компенсируется повышением расхода транспортирующего газа в начальный период эксплуатации камеры. Для усиления днища вакуум-камеры предложено также увеличить его толщину с 250 до 350 мм.

Предложенная схема футеровки днища вакуум-камеры и внутренней футеровки погружных патрубков запланирована к опытно-промышленному опробованию в условиях Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Применение вероятностных методов химической кинетики позволяет изучать металлургические реакции на уровне законов распределения вероятностей.

2. Показано, что для реакции дегазации металлического расплава при переходе в области равновесных с газовой фазой концентраций растворенного азота значения первых четырех моментов стабилизируются на ненулевом уровне, что соответствует присутствию в системе динамического равновесия, вызванного наличием встречных потоков: из газовой фазы в расплав и из расплава в газ.

3. Для условий циркуляционного вакуумирования выявлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава в процессе внепечной обработки от времени циркуляции стали.

4. Определено количество кислорода, переходящего из ковшового шлака и огнеупоров вакуум-камеры ЯН-вакууматора в расплав в период обезуглероживания, которое в среднем составляет 0,0045% (в том числе 0,004% из ковшового шлака и 0,0005% из огнеупоров вакуум-камеры).

5. Для условий работы ЯН-вакууматора предложены алгоритмы расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения концентрации растворенного углерода и кислорода в период вакуумного обезугле-

роживания расплава, температуры расплава в процессе внепечной обработки.

6. Разработанные технологические алгоритмы реализованы в составе подсистемы верхнего уровня АСУ ТП агрегата циркуляционного вакуумирования стали КЦ-1 ОАО «НЛМК».

7. На основе исследования кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре определено соотношение между реакциями, протекающими в объеме расплава и на поверхности циркулирующего расплава в вакуум-камере, позволившее определить условия получения особо низких концентраций углерода (менее 0,0015%).

8. Предложена технология интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий внепечной обработки за счет порционного ввода в расплав твердого окислителя (железорудные окатыши), позволяющая гарантированно получать остаточную концентрацию растворенного углерода в конце периода обезуглероживания менее 0,0015% на всем объеме обрабатываемых плавок.

9. Выполнен анализ причин образования металлических настылей в верхней части вакуум-камеры и П-образном газоходе на основе данных работы циркуляционного вакууматора ОАО «НЛМК», позволивший разработать технические решения снижения интенсивности зарастания газоотводящего тракта RH-вакууматора. На это решение получен патент.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Себякин, C.B. Изучение кинетических закономерностей обезуглероживания расплава в условиях циркуляционного вакуумирования стали / C.B. Себякин, И.А. Гельд // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2008. -№11.-С. 6-10.

2. Дубровский, С.А. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов дегазации жидких расплавов на основе железа / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, C.B. Себякин // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2008. - №2. - С. 3-7.

3. Емельянов, С.С. Исследование и улучшение техники и технологии вакуумной обработки стали / С.С. Емельянов, C.B. Себякин, A.B. Добродон [и др.] // Электрометаллургия. - 2007. - №4. - С. 24-28.

4. Циркуляционный вакууматор с экраном для подавления капель металла / С.А. Дубровский, C.B. Себякин, Ю.Н. Петрикин, В.Н. Вечер; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЛГТУ. - №2331673 РФ, МПК С21С 7/10. -заявлен 26.10.2006. опубликован 20.08.2008. Бюл. №23. - 6 с.

Другие публикации

1. Вечер, В.Н. Компьютерное моделирование обезуглероживания и дегазации при циркуляционном и струйном вакуумировании стали / В.Н. Вечер, Ю.Н. Петрикин, C.B. Себякин // Современная металлургия нового тысячелетия. Ч. 2: сборник научных трудов. - Липецк. - 2005. - С. 30-33.

2. Дубровский, С.А. Совершенствование конструкции вакуум-камеры циркуляционного вакууматора / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, C.B. Себякин, В.Н. Вечер // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. - Липецк. - 2006. - Ч. 2 - С. 54-58.

3. Себякин, C.B. Исследование, развитие и совершенствование техники и технологии вакуумной обработки стали на ОАО «НЛМК» / C.B. Себякин, A.B. Добродон, И.А. Ролдугин, E.H. Тюленев // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. - Липецк. - 2006. - Ч. 2. - С. 86-93.

4. Дубровский, С.А. Особенности образования пыли и капель металла в процессе циркуляционного вакуумирования стали / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, C.B. Себякин, В.Н. Вечер // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. - Липецк. - 2006. - Ч. 2. - С. 163-168.

5. Себякин, C.B. Разработка модели динамического контроля вакуумной обработки стали на циркуляционном вакууматоре ОАО «НЛМК» / C.B. Себякин, И.А. Гельд, Е.В. Берестюков, С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов.-Липецк. - 2007. - Ч. 2. - С. 182-187.

6. Себякин, C.B. Изучение кинетических закономерностей обезуглероживания расплава в условиях циркуляционного вакуумирования стали конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» / C.B. Себякин, Е.В. Берестюков, A.B. Добродон // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сборник научных трудов. - Липецк. - 2008. - Ч. 1 - С. 203-210.

Подписано в печать 14.04.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № УЗЯ Полиграфическое подразделение издательства ЛГТУ. 398600, Липецк, ул. Московская, 30

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСНОВ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И СПОСОБОВ ИХ

ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ.

1.1. Теоретические основы кинетики взаимодействия газов с расплавами на основе железа

1.2. Растворимость газов в расплавах на основе железа.

1.3. Кинетика взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металлическом расплаве.

1.4. Химическая кинетика реакций.

1.5. Сравнение основных способов промышленной реализации вакуумной обработки стали.

1.6. Основные конструктивные особенности оборудования циркуляционного вакууматора.

1.7. Анализ существующей технологии обработки расплава с вакуумным обезуглероживанием на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха№1 ОАО «НЛМК».

1.8. Краткие выводы и определение направлений дальнейшего исследования.

2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ВЕРОЯТНОСТНОЙ КИНЕТИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКИХ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.

2.1. Основные положения вероятностной кинетики реакций.

2.2. Описание условий проведения экспериментов исследования удаления азота из жидкого железа.

2.3. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов удаления азота из жидкого железа.

2.4. Краткие выводы по результатам исследования.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ И

МОНИТОРИНГА ОБОРУДОВАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМАТОРА.

3.1. Условия промышленной реализации системы контроля вакуумной обработки и методика проведения экспериментов.

3.1.1. Требования к построению и промышленной реализации алгоритмов системы контроля.

3.1.2. Общая характеристика контрольно-измерительного оборудования АЦВ КЦ

ОАО «НЛМК».

3.1.3. Методика проведения опытно-промышленных экспериментов.

3.2. Разработка математических моделей системы мониторинга оборудования АЦВ и контроля вакуумной обработки стали.

3.2.1. Расчет величины подсосов воздуха в вакуум-камеру и систему газоотводящего тракта.

3.2.2. Расчет изменения температуры расплава.:.

3.2.3. Расчет изменения концентрации углерода и кислорода с учетом данных газового анализа.

3.5. Краткие выводы.

4. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИЙ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ РАСПЛАВА В ПРОЦЕССЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ.

4.1. Анализ работы пароэжекторного насоса.

4.2. Методика теоретического расчета изменения концентрации углерода и кислорода.

4.3. Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре.

4.4. Оптимизация технологии обезуглероживания расплава.

4.5. Краткие выводы по результатам исследования.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМАТОРА.

5.1. Исследование особенностей образования металлических настылей в вакуум-камере и газоходе.

5.2. Изменение конструкции вакуум-камеры циркуляционного вакууматора для снижения интенсивности образования металлических настылей в газоотводящем тракте. 115.

5.3. Повышение стойкости патрубков циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК».

5.4. Краткие выводы.

Актуальность. Для современного этапа развития сталеплавильного производства при постоянно повышающихся требованиях потребителей к качеству стали неотъемлемым условием является применение в технологической цепочке установок внепечной обработки стали. Из их многообразия в особую группу выделилась вакуумная обработка металла, ставшая обязательной частью современных сталеплавильных комплексов, производящих сталь с высоким уровнем потребительских свойств, нашедших своё применение в автомобилестроении, в магистральных нефте- и газопроводах, в несущих конструкциях зданий, а также в судостроении. Производство особонизкоуглеродистых марок стали типа IF и низколегированных сталей с регламентированным содержанием газов невозможно без обработки расплава вакуумом. Одним из перспективных направлений производства электротехнических изотропных марок стали с пониженными электромагнитными потерями является технология получения остаточной концентрации углерода менее 0,005% непосредственно в сталеплавильном производстве, что не требует проведения обезуглероживающего отжига проката. Благодаря своим преимуществам, реализуемым в процессе вакуумной обработки, наибольшее распространение получил циркуляционный способ.

Все сказанное выше предопределяет актуальность работы, которая выполнена в рамках разрабатываемого в ЛРТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 07-08-96438Рцентра.

Целью настоящей работы является определение возможности исследования высокотемпературных металлургических реакций с применением методов вероятностной кинетики; разработка научно обоснованных технологических решений производства особонизкоуглеродистых марок стали с применением циркуляционного вакуумирования, а также методов контроля, технологического процесса внепечной обработки и состояния оборудования вакууматора.

Научная новизна:

1. Впервые в металлургии на основе анализа данных дегазации жидкого железа проведено исследование взаимодействия разреженных газов с высокотемпературными расплавами в условиях резко меняющихся внешних давлений с применением вероятностных методов химической кинетики.

2. Установлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава от времени циркуляции в процессе обработки на RH-вакууматоре.

3. Получено соотношение доли реакций обезуглероживания, протекающих в объеме расплава на поверхности всплывающих пузырьков и межфазной поверхности «расплав - газовая фаза вакуум-камеры».

4. Предложен критерий обнаружения прогаров вакуум-камеры.

5. Установлены кинетические особенности протекания1 реакций обезуглероживания в процессе RH-обработки на 160-тонном вакууматоре.

Практическая ценность и,реализация работы:

1. Предложены методика и технологические алгоритмы контроля процесса вакуумной обработки стали и состояния оборудования агрегата, которые реализованы в системе верхнего уровня АСУ ТП RH-вакууматора КЦ-1 ОАО «НЛМК».

2. Разработана технология* интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий» внепечной обработки с применением твердого окислителя. Она успешно опробована при производстве особонизкоуглеро-дистых марок сталей в Конвертерном цехе №1 ОАО «НЛМК».

3. Предложен способ снижения интенсивности образования металлических настылей в газоходе RH-вакууматора, позволяющий уменьшить его габаритные размеры по высоте. На это решение получен патент.

4. Разработаны технические решения повышения стойкости погружных патрубков циркуляционного вакууматора.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается опытно-промышленными плавками и теоретическим анализом основных параметров исследуемого процесса с последующей технологической интерпретацией на основе современной теории металлургических процессов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях: второй (г. Липецк, 2005), третьей (г. Липецк, 2006), четвертой (г. Липецк, 2007) и пятой (г. Липецк, 2008) международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»; международной научно-технической конференции молодых специалистов в преддверии 110-летия ОАО"Ашинский металлургический завод" (г. Аша, 2007); девятом (г. Старый Оскол, 2006) и десятом (г. Магнитогорск, 2008) конгрессе сталеплавильщиков.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 работ в отечественных изданиях, в том числе 3 статьи в периодических журналах, входящих в список ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура и<объем-диссертации; Диссертационная работа состоит из-введения, пяти глав, библиографического списка из 126 наименований, заключения, 3 приложений: Включает 79 страниц текста, содержит 60 рисунков и 19 таблиц.

В первой, главе выполнен'анализ современных физико-химических основ взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа. Рассмотрены- основные способы промышленной реализации- вакуумной обработки расплава и особенности существующей технологии внепечной обработки на агрегате циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК». Определены направления дальнейшего исследования.

Во. второй главе предложена методика исследования высокотемпературных реакций взаимодействия газов с металлическими расплавами в условиях резко меняющихся давлений с позиций вероятностной кинетики. На основании данной методики проведено исследование дегазации жидкого железа (удаление азота) с учетом данных лабораторных исследований с интерпретацией полученных результатов.

В третьей главе представлены результаты изучения- качественных и количественных характеристик процесса внепечной обработки стали на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха №1 ОАО* «НЛМК». По данным проведенного исследования представлено описание предложенных алгоритмов расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения температуры расплава, концентрации растворенного углерода и кислорода в процессе внепечной обработки.

В четвертой главе представлены результаты исследования параметров работы пароэжекторного насоса и кинетики протекания реакций обезуглероживания в процессе внепечной обработки, полученные с использованием предложенных алгоритмов и теоретического математического моделирования.

В пятой главе на основе анализа работы промышленного оборудования циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» разработаны технические решения эффективного снижения скорости образования металлических настылей в газоотводящем тракте при одновременном снижении высоты металлургического агрегата. Предложены технические решения повышения стойкости погружных патрубков, обеспечивающие снижение затрат на производство стали и увеличивающие пропускную способность агрегата в результате снижения технологических простоев, связанных с заменой и подготовкой вакуум-камеры к работе.

В заключении приведены основные результаты работы.

За оказанную помощь в подготовке материалов диссертации выражаю искреннюю благодарность не дожившему до сегодняшнего дня к.т.н., доценту кафедры металлургии Липецкого государственного технического университета Ю.Н. Петрикину, внесшему огромный вклад в теоретическое описание исследуемых процессов; специалистам Инженерного центра ОАО «НЛМК» Е.Н. Тю-леневу и И.А. Некрасову, оказавшим помощь при проведении опытно-промышленных плавок; ведущему инженеру-программисту Дирекции по информационным технологиям ОАО «НЛМК» И.А. Гельд, реализовавшей разработанные алгоритмы математических программ в Системе управления вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК»; специалистам лаборатории аналитического контроля и лаборатории металловедения и металлофизики ОАО «НЛМК» за проведение исследований образцов стали с опытно-промышленных плавок; технологическому персоналу агрегата циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК», оказавшему помощь при проведении опытно-промышленных плавок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих подходов описания кинетики взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа показал, что при описании химического акта трансформации газа общепринятым является вероятностный подход, однако решение задачи теоретического описания вероятностного взаимодействия частиц встречает ограничения при увеличении их количества. В связи с этим возникает необходимость разработки других подходов, позволяющих исключить усложнение теоретических расчетов вероятностного взаимодействия молекул и атомов частиц в условиях высоких температур и меняющегося давления.

2. Применение вероятностных методов химической кинетики позволяет изучать металлургические реакции на уровне законов распределения вероятностей.

3. Показано, что для реакции дегазации металлического расплава при переходе в области равновесных с газовой фазой концентраций растворенного азота значения первых четырех моментов стабилизируются на ненулевом уровне, что соответствует присутствию в системе динамического равновесия, вызванного наличием встречных потоков: из газовой фазы в расплав и из расплава в газ.

4. Для условий циркуляционного вакуумирования выявлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава в процессе внепечной обработки от времени циркуляции стали.

5. Определено количество кислорода, переходящего из ковшового шлака и огнеупоров вакуум-камеры RH-вакууматора в расплав в период обезуглероживания, которое в среднем составляет 0,0045% (в том числе 0,004% из ковшового шлака и 0,0005% из огнеупоров вакуум-камеры).

6. Для условий работы RH-вакууматора предложены алгоритмы расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения концентрации растворенного углерода и кислорода в период вакуумного обезуглероживания расплава, температуры расплава в процессе внепечной обработки.

7. Разработанные технологические алгоритмы реализованы в составе подсистемы верхнего уровня АСУ ТП агрегата циркуляционного вакуумирования стали КЦ-1 ОАО «НЛМК».

8. На основе исследования кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре определено соотношение между реакциями, протекающими в объеме расплава и на поверхности циркулирующего расплава в вакуум-камере, позволившее определить условия получения особо низких концентраций углерода (менее 0,0015%).

9. Предложена технология интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий внепечной обработки за счет порционного ввода в расплав твердого окислителя (железорудные окатыши), позволяющая гарантированно получать остаточную концентрацию растворенного углерода в конце периода обезуглероживания менее 0,0015% на всем объеме обрабатываемых плавок.

10. Выполнен анализ причин образования металлических настылей в верхней части вакуум-камеры и П-образном газоходе на основе данных работы циркуляционного вакууматора ОАО «НЛМК», позволивший разработать технические решения снижения интенсивности зарастания газоотводящего тракта RH-вакууматора. На это решение получен патент.

1. Siverts A. u. a. Z. physic. Chem. 1911, -PP. 591-613.

2. Морозов А.Н. Водород и азот в стали / Изд. 2-е, переработанное. М.: Металлургия, 1968. - С. 283.

3. Морозов А.Н., Стрекаловский М.М., Чернов Г.И. и др. Внепечное вакуумирование стали. М.: Металлургия, 1975 г. - С. 288.

4. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф. и др. Включения и газы в сталях. М.: Металлургия, 1979г. - С. 272.

5. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974г.-С. 270.

6. Аверин В.В., Ревякин А.В., Федорченко В.И., Козина JI.H. Азот в металлах. М.: Металлургия, 1976. - С. 224.

7. Самарин A.M. Вакуумная металлургия. М.: Металлургиздат, 1962. С. 516.

8. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1986г. С. 463.

9. Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико-химия в металлургии / Термодинамика, гидродинамика, кинетика. М.: Миссис, 2001. - С. 320.

10. Линчевский Б.В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. М.: Металлургиздат, 1970. - С. 258.

11. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали / Часть. I. Термодинамические и кинетические закономерности / Пер. с немецкого. -М.: Металлургия, 1973г. С. 312.

12. Григоренко. Г.М., Ю.М. Помарин и др. Особенности механизма поглощения азота высокореакционными металлами / Современная электрометаллургия. №3, 2004. - С. 22-26.

13. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. - С. 592.

14. Кунин Л.Л. Поверхностные явления в металлах / Под редакцией Кляч-ко Ю.А. М.: Металлургиздат, 1955. - С. 304.

15. Минаев Ю.А. Поверхностные явления в металлургических процессах. М.:

16. Металлургия, 1984.-С. 152.

17. Najafabadi M.A.,„Kanegawa S., Maeda M., Sano M. Simultaneous decarburiza-tion and denitrogenization of molten iron with vacuum- suction degassing method / ISIJ International, Vol. 36. № 10, 1996. - PP. 1229-1236.

18. Свяжин А.Г. Азот при производстве стали. Теория и технология / Международная конференция-диспут «Металлургия и металлурги XXI века». — Москва, 2001. Стр. 305-320.

19. Каваи Я. Поверхностное натяжение жидких сплавов железа в связи с реакциями газ металл / ТрудыТИ советско-японского симпозиума по физико-химическим основам металлургических процессов'.«Взаимодействие газов, с металлами». -М.: Наука, 1973. - Стр. 69-75;

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика / Том VI. Гидродинамика. Издание 3-е, переработанное; М.: Наука, 1986. - С. 736:

21. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия / Издание 5-е, стереотипное. М.: Металлургия, 2001. - С. 688.

22. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия / Том I. — М:: Советская энциклопедия, 1988.-С. 704.

23. Gavriljuk V.G., Berns Н. High nitrogen steel, 1999. P. 378.

24. Рыжонков'Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В. и др. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989. - С. 392.

25. Свяжин А.Г., Чурсин Г.М., Вишкарев А.Ф., Явойский В.И. Растворимость азота в жидком железе / Известия АН СССР. Металлы, 1974. №5. — Стр. 24-35.

26. Гельд П.В., Курочкин К.Т. Растворимость водорода в расплавах железа с алюминием / Известия АН СССР. Металлы, 1974. №2. - Стр. 43-48.

27. Pehlke R.D., Elliott J.F. Trans. AIME, 1960. -V. 218. P. 1088.

28. Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали. Металлургиздат, 1960.

29. Приходько Э.В., Мороз В.Ф. О влиянии межатомного взаимодействия в расплавах на растворимость в них газов и углерода. Часть 1. Методология исследования. Растворимость углерода и азота / Современная электрометаллургия, 2004. № 2. - Стр. 35-45.

30. Приходько Э.В., Мороз В.Ф. О влиянии межатомного взаимодействия в расплавах на растворимость в них газов и углерода. Часть 2. Растворимость водорода и кислорода. Общие выводы / Современная электрометаллургия, 2004.-№4. -Стр. 37-43.

31. Ригина Л.Г., Васильев Я.М., Дуб С.В. и др. Легирование стали азотом / Электрометаллургия, 2005. №2. - Стр. 14-21.

32. Соколов М.В., Ковальчук Л.А. О температурной зависимости азота в многокомпонентных расплавах на железной основе / Изв. АН СССР. Металлы, 1986.-№ 6.-Стр. 15-20.ч

33. Гасик М.М. Равновесие углерод кислород в жидком железе при вакуум-углеродном раскислении / Известия ВУЗов. Черная металлургия. - №10. -1991.-Стр. 9-13.

34. Гасик М.М., Гасик М.И. Термодинамическое исследование равновесия углерод кислород в жидком железе / Известия АН СССР. Металлы, 1985. -№3. - Стр. 22-30.

35. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - С. 504.

36. Поволоцкий д.я., Кудрин В.А., Вишкарев А.Ф. Внепечная обработка стали. М.: МИСИС, 1995. С. 256.

37. Takahashi М., Matsumoto Н., Saito Т. Mechanism of decarburization in RH de-gasser / ISIJ International, 1995 Vol. 35. - № 12. - PP. 1452-1458.

38. Wei Ji-He, Yu Neng-Wen. Mathmatical modeling for RH refining process of molten steel / Ironmaking Conference Proceedings, 2002. PP. 775-792.

39. Inoue S., Furuno Y., Usui Т., Miyahara S. Acceleration of decarburization in RH vacuum degassing process / ISIJ International, 1992. Vol. 32. - № 1. - PP. 120-125.

40. Yamaguchi K., Kishimoto Y., Fujii T. et al. Effect of refining condition for ultralow carbon steel on decarburization reaction in RH degasser / ISIJ International, 1992. -Vol. 32.-№ 1.-PP. 126-135.

41. Kameyama K., Nishikawa H., Aratani M. et al. Mass production of ultra-low carbon steel by KTB method using oxygen top blowing in the vacuum vessel / Kawasaki steel technical report, June 1992. № 26. - PP. 92-99.

42. Yamaguchi K., Sakuraya Т., Hamagami K. Development of hydrogen gas injection method for promoting decarburization of ultra-low carbon steel in RH degasser / Kawasaki steel technical report, March 1995. № 32. - PP. 33-37.

43. Masanori N., Tada C., Nishikawa H. Optimized decarburization process for stainless steel with combination of refining in converter and RH degasser / Kawasaki steel technical report, March 1995. № 32. - PP. 38-44.

44. Кабаков 3.K., Кабаков П.З., Сумин C.H. Решение задачи обезуглероживания стали в ковше при вакуумировании / Известия ВЗУов. Черная металлургия, 2004. № 5. - Стр. 15-16.

45. Бородин Д.И., Фоменко В.А., Петушков И.А. Изучение процесса самопроизвольного кипения при глубоком обезуглероживании под вакуумом / Известия ВУЗов, 2005. № 4. - Стр. 17-20.

46. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. Гомогенные реакции / Издательство 2-е, исправленное и дополненное. М.: Высшая школа, 1969.-С. 432.

47. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ / Издание 3-е, исправленное и дополненное. М.: Химия, 1985. - С. 592.

48. Энтелис С.Г., Тигер Р.П. Кинетика реакций в жидкой фазе. Количественный учет влияния среды. -М.: Химия, 1973. С. 416.

49. Амис Э. Влияние растворителя на скорость и механизм химических реакций / Пре. с англ. Бубнов Н.Н., Бердников В.М., Зусман Р.И. М.: Мир, 1968.-328.

50. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Издание 2-е, дополненное и переработанное. М.: Наука, 1967. - С. 492.59